Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ системы контроля качества изготовления и сборки светотехнических изделий автомобиля 10
1.1. Назначение и конструкция светотехнических изделий 10
1.2. Контроль качества изготовления 18
1.3. Контроль качества установки на автомобиль 20
1.4. Цель и задачи исследования 27
2. Анализ тепловых переходных процессов в автомобильных лампах 29
2.1. Анализ теплового переходного процесса в автомобильной лампе 33
2.2. Экстраполяция гиперболической зависимости мгновенного значения тока переходного процесса в экспоненту 42
2.3. Расчет переходного процесса в автомобильных лампах для некоторых практических случаев 44
2.4. Выводы 56
3. Экспериментальные исследования автомобильных светотехнических изделий 57
3.1. Постановка задачи, выбор плана и разработка программы экспериментального исследования 57
3.2. Разработка лабораторной установки 59
3.3. Экспериментальные исследования автомобильных ламп 61
3.4. Выводы 87
4. Разработка методики проверки функционирования и ее программная реализация 89
4.1. Разработка методики проверки функционирования 89
4.2. Аппаратные средства 93
4.3. Разработка специализированного программного обеспечения 95
4.4. Выводы 100
Основные выводы и результаты 101
Литература 103
Приложения 111
- Назначение и конструкция светотехнических изделий
- Анализ теплового переходного процесса в автомобильной лампе
- Постановка задачи, выбор плана и разработка программы экспериментального исследования
- Разработка методики проверки функционирования
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, когда развитие автомобильной промышленности во всем мире достигло высокого уровня, автомобиль стал уже не просто роскошью или средством передвижения, а постоянным спутником и верным помощником человека. Поэтому и требования к автомобилю предъявляют не только по его высокой функциональности, но и, прежде всего, надежности и безопасности для всех участников дорожного движения. Последнее время законодательства многих стран обязывают автопроизводителей доводить уровень безопасности автомобиля до установленных норм. Для обеспечения такого уровня безопасности особо жесткие требования по качеству и надежности предъявляются к следующим системам автомобиля: двигатель и система управления двигателем; система рулевого управления; тормозная система; системы активной и пассивной безопасности; система освещения и сигнализации.
Система освещения и сигнализации при всей своей простоте является важной составляющей для безопасного и комфортного использования автомобиля, поскольку она позволяет оценивать визуально и передавать другим участникам дорожного движения информацию о ситуации на дороге. На ведущих автозаводах качество и надежность работы системы освещения и сигнализации при эксплуатации автомобиля обеспечивается непрерывным контролем за соблюдением установленной технологии изготовления автомобильных светотехнических изделий, однако в нашей стране ввиду низкой культуры производства этого оказывается недостаточно. Возможность нарушения технологии сборки автомобиля заставляет отечественных производителей вводить сплошной выходной контроль всего комплекса электрооборудования на финишном
5 этапе сборки автомобиля. Составной частью такого контроля является проверка функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле. В настоящее время такая проверка осуществляется на основании анализа установившегося режима работы электрической цепи: измеряется ток потребления, определяется мощность, исходя из постоянства напряжения в бортовой сети автомобиля, сравнивается со стандартным значением, определяемым по техническим условиям, и по результатам этого сравнения дается заключение о техническом состоянии тестируемого изделия. Однако такая методика проверки функционирования имеет существенный недостаток: значение диагностического параметра (ток потребления в установившемся режиме) зачастую определяется для групповой нагрузки, включающей в себя лампы, неоднородные по мощности. Например, при включении указателя поворота включаются в цепь две лампы по 25 Вт и одна 5 Вт. В таком случае определить выход из строя (отказ) маломощного потребителя не представляется возможным в виду широких пределов допустимых значений диагностического параметра по техническим условиям.
Фактически, такая проверка функционирования дает достоверную информацию только о состоянии всей цепи (обрыв или короткое замыкание).
Таким образом, в современных условиях актуальными являются исследования, направленные на повышение достоверности проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий автомобиля.
Цель работы - обеспечение достоверности проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий автомобиля в условиях промышленного производства путем использования параметров теплового переходного процесса.
Задачи исследований: — анализ системы контроля качества изготовления и установки автомобильных светотехнических изделий; выбор альтернативных диагностических параметров для проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на основе анализа теплового переходного процесса в автомобильной лампе накаливания; оценка погрешности теоретических расчетов на основе экспериментальных исследований автомобильных светотехнических изделий; разработка методики проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле; реализация предложенной методики в специализированном программном обеспечении.
Методика проведения исследований. Аналитические исследования теплового переходного процесса в автомобильных светотехнических изделиях осуществлены аналитическим методом с использованием основных положений теории электрических цепей, теплофизики и светотехники. Экспериментальные данные были получены методом активного эксперимента при использовании теории планирования эксперимента, и обработаны математически с использованием статистического анализа. Выявленные количественные и качественные взаимосвязи между параметрами исследуемых объектов представлены в аналитическом виде и графической интерпретацией. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами и экспериментами.
Основные положения выносимые на защиту: — новая аналитическая зависимость для расчета тока переходного процесса в цепи с источником постоянного тока и автомобильными лампами накаливания, отличающаяся от известных учетом физических параметров нити накаливания; теоретические и экспериментальные исследования параметров переходного процесса в электрических цепях светотехнических изделий; уточненная методика проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле.
Научная новизна диссертационной работы: получена новая аналитическая зависимость для определения мгновенного значения тока в цепи с автомобильными лампами накаливания в течение переходного процесса после коммутации, отличающаяся от известных тем, что учитывает геометрические параметры нити накаливания и ее температуру; предложена уточненная методика проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле, отличающаяся от известных ранее тем, что в качестве диагностического параметра используется полученное среднеинтегральное значение тока за нормированное время при коммутации электрической цепи.
Практическая значимость. Разработаны методика и специализированное программное обеспечение для проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле в условиях массового промышленного производства.
Реализация результатов. Разработанные в диссертационной работе методика и специализированное программное обеспечение использованы в работе комплекса диагностического оборудования, внедренного на ОАО АВТОВАЗ (г. Тольятти), полученные результаты теоретических исследований и расчетов используются в учебном процессе на кафедре «Электрооборудование автомобилей и электромеханика» Тольяттинского государственного университета при проведении лекционных и практических занятий по дисциплине «Испытания изделий электрооборудования автомобилей», а также при курсовом и дипломном проектировании.
8 Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, дополнены и одобрены на научно-практических конференциях 2001 и 2002 годов «Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере» (г.Москва), международной научно-практической конференции 2002 года «Наука - индустрии сервиса» (г.Москва) и всероссийской научно-технической конференции
2003 года «Современные тенденции развития автомобилестроения в
России» (г.Тольятти).
Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 5 наименований общим объемом 1,05 п.л.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 128 страницах машинописного текста, иллюстрированного 16 таблицами и 32 рисунками.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой главе, основных результатов и выводов, списка использованной литературы и приложения.
Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен критический анализ современной системы контроля качества изготовления и установки автомобильных светотехнических изделий, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе.
Вторая глава посвящена комплексным исследованиям теплового переходного процесса в автомобильных светотехнических изделиях. В ней проведен анализ отказов ламп накаливания, разработана аналитическая модель теплового переходного процесса в них, на основе анализа этой модели предложены в качестве диагностических несколько параметров переходного процесса и аналитически оценена их приемлемость для проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле в условиях массового промышленного производства.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям автомобильных светотехнических изделий для подтверждения адекватности теоретических предпосылок, выводов и расчетов, проведенных во второй главе, и получения экспериментальных данных для выбора диагностического параметра, наиболее полно отображающего техническое состояние тестируемого объекта. В ней поставлены задачи и выбран план экспериментального исследования, разработана лабораторная установка и программа эксперимента. Получены экспериментальные осциллограммы переходного процесса в электрической цепи с автомобильными светотехническими изделиями при различных состояниях нагрузки (исправное и имеющее различные неисправности) и по экспериментальным данным оценена степень достоверности полученных во второй главе аналитических выводов и расчетов.
В четвертой главе по результатам проведенных экспериментальных исследований был выбран диагностический параметр, наиболее полно отображающий техническое состояние групповой нагрузки светотехнических изделий, разработаны методика проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий на собранном автомобиле и специализированное программное обеспечение для аппаратных средств, применяемых в настоящее время при тестировании комплекса электрооборудования автомобиля.
В основных результатах и выводах представлены основные результаты диссертационной работы и рассмотрены возможные области их использования.
Назначение и конструкция светотехнических изделий
Светотехнические изделия в автомобиле применяются в системах освещения и световой сигнализации и предназначены для освещения дороги, передачи информации о габаритных размерах автомобиля, предполагаемом или совершаемом маневре, для освещения номерного знака, кабины, салона кузова, контрольно-измерительных приборов, багажника, подкапотного пространства и т.д. От качества изготовления и сборки световых изделий зависит безопасность движения автомобилей, особенно в темное время суток и в условиях плохой видимости.
Работа системы освещения основана на принципах генерирования излучения, распределения и перераспределения в пространстве электромагнитных излучений оптической области спектра. Органами зрения воспринимаются видимые излучения с длиной волны А, в диапазоне 380-760 нм, которые при совокупном воздействии воспринимаются органом зрения как белый свет.
На автомобилях устанавливают различные по назначению, конструкции, электрическим и светотехническим параметрам световые приборы. В обязательный комплект световых приборов для всех автомобилей входят не менее двух фар дальнего и ближнего света, по два габаритных огня и по два указателя поворота спереди и сзади, фонари заднего хода, два световозвращателя и один фонарь освещения номерного знака, расположенные сзади. В качестве дополнительных светосигнальных приборов устанавливают контурные огни, боковые повторители указателей поворота, опознавательные знаки автопоезда и прицепов, боковые световозвращатели, огни преимущественного проезда. К необязательным световым приборам относят противотуманные фары, фары-прожекторы, прожекторы-искатели, задние противотуманные фонари, увеличения габарита автомобиля, боковые габаритные и стояночные огни.
Автомобильные световые приборы делятся на осветительные и светосигнальные. Световой пучок осветительного прибора воспринимается после отражения от дороги или объекта на дороге, а световой поток светосигнального прибора наблюдатель воспринимает непосредственно. Световые приборы преобразуют электрическую энергию в световой пучок определенной структуры (соответствующим образом организованную совокупность направлений излучения света) и спектра (цветность излучения). Оптическая система светового прибора, обеспечивающая необходимую структуру светового пучка, включает в себя лампу, отражатель и рассеиватель. Лампа является источником света. Отражатель, обычно в виде параболоида вращения, концентрирует световой поток, испускаемый лампой, в требуемом телесном угле. Рассеиватель, выполненный из прозрачного материала, перераспределяет световой поток в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью линз и призм на его внутренней поверхности и, при необходимости, меняет цвет излучаемого света.
Основными светотехническими параметрами световых приборов являются активная поверхность оптической системы, световое отверстие, телесный и плоский углы охвата, углы излучения и рассеивания, фокус и фокусное расстояние оптической системы, коэффициент отражения для отражателей и коэффициент пропускания и поглощения света для рассеивателей.
Активной поверхностью оптической системы является зеркальная поверхность отражателя. Ее проекция на плоскость, перпендикулярную оптической оси, называется световым отверстием. Оптическая ось светового прибора - это ось его симметрии. Лучи, падающие на активную поверхность отражателя параллельно оптической оси, собираются в фокусе. В реальных оптических системах с фокусом совмещают центр тела накала источника света. Отрезок оптической оси фокуса до вершины отражателя называется фокусным расстоянием.
Телесным углом охвата активной поверхности является угол, в пределах которого поверхность оптической системы видна из фокуса. Сечение телесного угла охвата со меридиональной плоскостью, проходящей через ось вращения параболоида, образует плоский угол охвата ср. Телесный угол, в котором сконцентрирован отраженный активной поверхностью и вышедший из системы световой поток, называют углом излучения оптической системы.
Коэффициент отражения оптической системы - это отношение отраженного светового потока к световому потоку, падающему на отражающую поверхность. Коэффициент пропускания - отношение светового потока, прошедшего через поверхность, к световому потоку, падающему на нее. Под коэффициентом поглощения понимается отношение светового потока, поглощаемого световой системой, к световому потоку, ею создаваемому.
Анализ теплового переходного процесса в автомобильной лампе
При включении сопротивление нити накаливания лапы минимально из-за низкой температуры. А, следовательно, ток в начальный момент времени при коммутации максимален (т. А рис. 2.1). При прохождении тока нить накаливания нагревается, её сопротивление увеличивается и ток уменьшается (участок А-Б рис. 2.1). При достижении рабочей температуры сопротивление нити накаливания стабилизируется и ток достигает своего установившегося значения (участок Б-В рис. 2.1).
Характер переходного процесса и значение установившегося тока зависят от физических параметров нити и условий её охлаждения (свойств газовой среды, наличия световых экранов, расположения лампы). В переходном режиме, когда температура нити относительно невысока, отдачи энергии в окружающую среду не происходит, в последующем тепловой баланс устанавливается за счет излучения и теплопередачи через газовую среду, наполняющую колбу.
Предположим, что перед нами поставлена задача выбора лампы от одного из трех производителей, причем паспортные характеристики всех ламп идентичны (номинальное напряжение, сопротивление, ток). Обычный метод «проверки» - включение к одному источнику, которая из ламп перегорит позже, ту и выбираем. Процесс достаточно длительный, хотя возможно и форсирование (по напряжению). Но против таких «экспериментов» может возразить изготовитель.
Изготовитель обычно экономит на вольфрамовой нити. Короткая спираль из тонкой вольфрамовой проволоки может иметь те же электрические параметры, что и более длинная, выполненная из проволоки большего сечения. Естественно, что срок службы лампы во втором случае выше, кроме того, такое изделие устойчивее к ударным и вибрационным нагрузкам.
На рис. 2.2 приведены осциллограммы переходных режимов трех ламп разных производителей, имеющих одинаковые паспортные данные по электрическим параметрам.
Все представленные лампы (рис.2.2) имеют одинаковые номинальные напряжение и мощность, однако параметры нити накаливания не идентичны: вольфрамовая спираль в лампе 1 имеет наименьшие диаметр и длину, а в лампе 3 - наибольшие, что отражается на характере протекания переходного процесса при коммутации.
При идентичности световых и электрических характеристик выбор, очевидно, должен быть в пользу лампы 3, если не принимать во внимание ещё и такой параметр, как цена. Кстати, обоснованность цены можно также проверить, анализируя осциллограмму переходного процесса. Диагностический отбор или контроль, как правило, основывается на сравнении исследуемого изделия с некоторым образцом, параметры которого подтверждены в результате многократных проверок и исследований различными методами. Например, качество вольфрамовой спирали (диаметр проволоки, длина, сечение) можно определить, расколов колбу. Однако, выбрав таким образом эталонное изделие, мы не можем быть гарантированы от того, что в следующей партии изделий от того же производителя мы не получим другого результата, при отсутствии отклонений от паспортных данных.
В отличие от существующего метода диагностирования, основанного на анализе потребляемого тока в установившемся режиме, рассмотрим возможности использования параметров переходного процесса в момент включения светотехнического изделия.
Анализируя осциллограмму, представленную на рис. 2.1., предполагаем, что кроме установившегося тока в качестве основного можно использовать следующие диагностические параметры: — мгновенное значение тока и его первую производную в момент включения групповой нагрузки, содержащей лампы накаливания; — среднеинтегральное значение тока, вычисляемое в переходный период, числено равное площади S, деленной на / (рис.2.1); — постоянную времени тока переходного процесса г.
Выбор конкретного диагностического параметра должен определяется требуемой разрешающей способностью диагностической системы с учетом сложности её реализации, а также назначением диагностики (технологический контроль в процессе производства ламп, выходной - выходной контроль готового изделия, выходной контроль изделия в составе системы в процессе сборки автомобиля).
Для оценки приемлемости предлагаемых диагностических параметров рассмотрим подробно тепловой переходный процесс в лампе накаливания и экстраполируем кривую экспонентой.
Постановка задачи, выбор плана и разработка программы экспериментального исследования
Целью экспериментального исследования является подтверждение адекватности теоретических предпосылок, выводов и расчетов, проведенных во 2 главе и получение экспериментальных данных для выбора диагностического параметра, наиболее полно отображающего техническое состояние тестируемого объекта (групповой нагрузки светотехнических изделий на собранном автомобиле).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - экспериментально исследовать переходный процесс в цепи с групповой нагрузкой автомобильных светотехнических изделий; - сравнить результаты экспериментальных и расчетных исследований; - оценить степень достоверности полученных результатов; - выбрать диагностический параметр, наиболее полно отображающий техническое состояние тестируемого объекта.
Для экспериментального исследования переходного процесса в цепи с групповой нагрузкой светотехнических изделий, прежде всего, необходимо получить зависимости мгновенного значения тока от времени при различных состояниях нагрузки (исправное и имеющее различные неисправности). На автомобиле значение тока в цепи с групповой нагрузкой светотехнических изделий зависит от напряжения в бортовой сети, времени и исправности элементов групповой нагрузки (ламп накаливания).
Таким образом, эксперимент является трехфакторным и для сокращения объема экспериментальных исследований необходимо применение теории математического планирования многофакторного эксперимента [29-46]. Однако, учитывая, что напряжение в бортовой сети автомобиля можно стабилизировать, отслеживая степень разряженности аккумуляторной батареи, и в течение эксперимента напряжение можно считать постоянным ввиду его кратковременности (весь переходный процесс длится менее одной секунды), план экспериментальных исследований вырождается в классический однофакторный. При этом в качестве варьируемого фактора выступает состав групповой нагрузки.
Объектом исследования выбираем аналогично п. 2.3 (стр. 45) групповую нагрузку светотехнических изделий указателя поворота, в составе двух ламп указателя поворота и одной - повторителя.
Экспериментальные исследования будем проводить по следующей программе: 1. Разработать и собрать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований; 2. Снять осциллограммы переходного процесса в цепи групповой нагрузки (не менее 30 для каждого типа нагрузки), варьируя ее состав аналогично п.2.3 (стр.44-45): — первый случай: все лампы, входящие в групповую нагрузку (две лампы указателей поворота и одна - повторитель), находятся в рабочем состоянии (у+у+п); — второй случай: одна из ламп указателя поворота находится в нерабочем состоянии, остальные - в рабочем (у+п); — третий случай: лампа повторителя находится в нерабочем состоянии, лампы указателя поворота - в рабочем (у+у). 3. Оценить адекватность аналитической модели переходного процесса по экспериментальным осциллограммам тока; 4. Вычислить значения предлагаемых диагностических параметров по экспериментальным данным для каждого случая; 5. Оценить погрешность экспериментального определения диагностических параметров методами математического анализа; 6. Вычислить изменения диагностических параметров, полученных экспериментальным путем, при наличиях неисправностей в групповой нагрузке (для каждого вида неисправности); 7. Проанализировать полученные результаты.
Разработка методики проверки функционирования
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что из всех предложенных диагностических параметров наиболее целесообразно использовать среднеинтегральное значение тока в переходный период за нормированный промежуток времени.
Все рассмотренные в работе диагностические параметры прямопропорциональны значению установившегося тока. Однако, изменение значения установившегося тока в цепи с групповой нагрузкой светотехнических изделий при выходе из стоя маломощной составляющей нагрузки соизмеримо с помехами, присутствующими в измерительном сигнале, что снижает достоверность проверки функционирования по этому параметру. Мгновенное значение тока и его первая производная в начальный момент времени коммутации имеют самое высокое соотношение «измеряемый сигнал/шум», однако достоверность их определения существенно зависит от разрешающей способности диагностической системы. Современные средства бесконтактного измерения тока в электрической цепи имеют удовлетворительный частотный диапазон измерений лишь до 10 кГц, что не обеспечивает достаточной достоверности экспериментального определения этих параметров. Для повышения эффективности применения в качестве диагностического параметра среднеинтегрального значения тока в переходный период, нормированный промежуток времени его регистрации следует выбирать минимальным, исходя из возможностей современных средств измерений. Поэтому, выбираем время регистрации среднеинтегрального значения тока tHopM = 0,01 с.
Алгоритм определения выбранного диагностического параметра построен по аналогии с системой технического диагностирования фирмы «SofTestATE» и включает в себя коммутацию тестируемых светотехнических изделий, проведение измерений мгновенных значений тока в электрической цепи с нагрузкой и без, вычисление диагностического параметра для тестируемого изделия, проверка соответствия его допуску, формирование отчета о проведенной проверке функционирования (рис.4.1) и его визуализацию (вывод на экран монитора или на печать).
Методика проверки функционирования электрических цепей всех светотехнических изделий автомобиля должна учитывать комплектацию тестируемого автомобиля и оптимизировать действия оператора-диагноста.
Новейшим комплексом для тестирования электрооборудования автомобиля является внедренная на сборочном конвейере автомобиля ВАЗ-1118 LADA KALINA Волжского автомобильного завода (ОАО АВТОВАЗ, г. Тольятти) «Установка тестирования электрооборудования автомобиля» (код: 0142.1012.455).
Установка включает в себя множество функциональных блоков, из которых основными для проверки функционирования электрических цепей светотехнических изделий являются измерительный модуль и носимый пульт оператора.
Измерительный модуль предназначен для регистрации переходных процессов в электрических цепях электрооборудования автомобиля и передачи результатов на носимый пульт оператора. Принцип измерения переменного тока без размыкания силовой цепи основан на измерении магнитной индукции, создаваемой этим током. Для этого применяется первичный преобразователь с обработкой измерительного сигнала, поступающего с чувствительного элемента Холла, в цифровой код с помощью 14-и разрядного АЦП. Передача оцифрованной измерительной информации производится по радиоканалу с использованием стандартного интерфейса ШЕЕ 802.15.1. Технические характеристики измерительного модуля сведены в таблицу 4.1, а фотография представлена на рис.4.2.
